xray原理及與物質(zhì)作用課件

第一章X射線物理基礎(chǔ)偉大的物理學(xué)家,X射線發(fā)明者------倫琴緒.1895年德國物理學(xué)家---“倫琴”發(fā)現(xiàn)X射線.1895-1897年倫琴搞清楚了X射線的產(chǎn)生、傳播、穿透力等大部分性質(zhì).1901年倫琴獲諾貝爾獎.1912年勞埃進行了晶體的X射線衍射實驗X射線最早的應(yīng)用在X射線發(fā)現(xiàn)后幾個月醫(yī)生就用它來為病人服務(wù)右圖是紀(jì)念倫琴發(fā)現(xiàn)X射線100周年發(fā)行的紀(jì)念封X射線的本質(zhì)

X射線也是電磁波的一種，波長在10－8cm左右X射線具有波粒二相性X射線的強度是衍射波振幅的平方（），也是單位時間內(nèi)通過單位截面的光量子數(shù)目。1-3X射線的產(chǎn)生及X射線管X射線的產(chǎn)生：X射線是高速運動的粒子與某種物質(zhì)相撞擊后猝然減速，且與該物質(zhì)中的內(nèi)層電子相互作用而產(chǎn)生的。X射線管（1）陰極——發(fā)射電子。一般由鎢絲制成，通電加熱后釋放出熱輻射電子。（2）

陽極——靶，使電子突然減速并發(fā)出X射線。（3）

窗口——X射線出射通道。既能讓X射線出射，又能使管密封。窗口材料用金屬鈹或硼酸鈹鋰構(gòu)成的林德曼玻璃。窗口與靶面常成3-6°的斜角，以減少靶面對出射X射線的阻礙。X射線管（4）

高速電子轉(zhuǎn)換成X射線的效率只有1%，其余99%都作為熱而散發(fā)了。所以靶材料要導(dǎo)熱性能好，常用黃銅或紫銅制作，還需要循環(huán)水冷卻。因此X射線管的功率有限，大功率需要用旋轉(zhuǎn)陽極

（5）

焦點——陽極靶表面被電子轟擊的一塊面積，X射線就是從這塊面積上發(fā)射出來的。焦點的尺寸和形狀是X射線管的重要特性之一。焦點的形狀取決于燈絲的形狀，螺形燈絲產(chǎn)生長方形焦點

X射線衍射工作中希望細(xì)焦點和高強度；細(xì)焦點可提高分辨率；高強度則可縮短暴光時間

旋轉(zhuǎn)陽極

上述常用X射線管的功率為500～3000W。目前還有旋轉(zhuǎn)陽極X射線管、細(xì)聚焦X射線管和閃光X射線管。因陽極不斷旋轉(zhuǎn)，電子束轟擊部位不斷改變，故提高功率也不會燒熔靶面。目前有100kW的旋轉(zhuǎn)陽極，其功率比普通X射線管大數(shù)十倍。

加速器中可以引出X射線加速器中可以引出X射線

加速器中可以引出X射線X射線譜--------

連續(xù)X射線譜X射線強度與波長的關(guān)系曲線，稱之X射線譜。在管壓很低時，小于20kv的曲線是連續(xù)變化的，故稱之連續(xù)X射線譜，即連續(xù)譜。對連續(xù)X射線譜的解釋1根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的理論，一個帶負(fù)電荷的電子作加速運動時，電子周圍的電磁場將發(fā)生急劇變化，此時必然要產(chǎn)生一個電磁波，或至少一個電磁脈沖。由于極大數(shù)量的電子射到陽極上的時間和條件不可能相同，因而得到的電磁波將具有連續(xù)的各種波長，形成連續(xù)X射線譜。

對連續(xù)X射線譜的解釋2量子力學(xué)概念，當(dāng)能量為ev的電子與靶的原子整體碰撞時，電子失去自己的能量，其中一部分以光子的形式輻射出去，每碰撞一次，產(chǎn)生一個能量為hv的光子，即“韌致輻射”。大量的電子在到達靶面的時間、條件均不同，而且還有多次碰撞，因而產(chǎn)生不同能量不同強度的光子序列，即形成連續(xù)譜。極限情況下，能量為ev的電子在碰撞中一下子把能量全部轉(zhuǎn)給光子，那么該光子獲得最高能量和具有最短波長，即短波限λ0。都有一個最短波長，稱之短波限λ0，強度的最大值在λ0的1.5倍處。

eV=hvmax=hc/λ0λ0=1.24/V（nm）X射線譜--------

特征X射線譜當(dāng)管電壓超過某臨界值時，特征譜才會出現(xiàn)，該臨界電壓稱激發(fā)電壓。當(dāng)管電壓增加時，連續(xù)譜和特征譜強度都增加，而特征譜對應(yīng)的波長保持不變。鉬靶X射線管當(dāng)管電壓等于或高于20KV時，則除連續(xù)X射線譜外，位于一定波長處還疊加有少數(shù)強譜線，它們即特征X射線譜。鉬靶X射線管在35KV電壓下的譜線，其特征x射線分別位于0.63?和0.71?處，后者的強度約為前者強度的五倍。這兩條譜線稱鉬的K系

特征X射線的產(chǎn)生機理特征X射線的產(chǎn)生機理與靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)。原子殼層按其能量大小分為數(shù)層，通常用K、L、M、N等字母代表它們的名稱。但當(dāng)管電壓達到或超過某一臨界值時，則陰極發(fā)出的電子在電場加速下，可以將靶物質(zhì)原子深層的電子擊到能量較高的外部殼層或擊出原子外，使原子電離。陰極電子將自已的能量給予受激發(fā)的原子，而使它的能量增高，原子處于激發(fā)狀態(tài)。如果K層電子被擊出K層，稱K激發(fā)，L層電子被擊出L層，稱L激發(fā)，其余各層依此類推。產(chǎn)生K激發(fā)的能量為WK＝hυK，陰極電子的能量必須滿足eV≥WK＝hυK，才能產(chǎn)生K激發(fā)。其臨界值為eVK＝WK

，VK稱之臨界激發(fā)電壓。特征X射線的產(chǎn)生機理處于激發(fā)狀態(tài)的原子有自發(fā)回到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向，此時外層電子將填充內(nèi)層空位，相應(yīng)伴隨著原子能量的降低。原子從高能態(tài)變成低能態(tài)時，多出的能量以X射線形式輻射出來。因物質(zhì)一定，原子結(jié)構(gòu)一定，兩特定能級間的能量差一定，故輻射出的特征X射波長一定。當(dāng)K電子被打出K層時，如L層電子來填充K空位時，則產(chǎn)生Kα輻射。此X射線的能量為電子躍遷前后兩能級的能量差，即

小結(jié)連續(xù)譜(軟X射線)高速運動的粒子能量轉(zhuǎn)換成電磁波譜圖特征:強度隨波長連續(xù)變化是衍射分析的背底;是醫(yī)學(xué)采用的特征譜(硬X射線)高能級電子回跳到低能級多余能量轉(zhuǎn)換成電磁波僅在特定波長處有特別強的強度峰衍射分析采用莫色萊定律特征X射線譜的頻率（或波長）只與陽極靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與其他外界因素?zé)o關(guān)，是物質(zhì)的固有特性。1913～1914年莫色萊發(fā)現(xiàn)物質(zhì)發(fā)出的特征譜波長與它本身的原子序數(shù)間存在以下關(guān)系：

根據(jù)莫色萊定律，將實驗結(jié)果所得到的未知元素的特征X射線譜線波長，與已知的元素波長相比較，可以確定它是何元素。它是X射線光譜分析的基本依據(jù)

不相干散射入射X射線遇到約束松的電子時，將電子撞至一方，成為反沖電子。入射線的能量對電子作功而消耗一部份后，剩余部份以X射線向外輻射。散射X射線的波長（λ‘）比入射x射線的波長（λ）長，其差值與角度α之間存在如右關(guān)系：不相干散射在衍射圖相上成為連續(xù)的背底，其強度隨（sinθ/λ）的增加而增大，在底片中心處（λ射線與底片相交處）強度最小，α越大，強度越大。

小結(jié)相干散射因為是相干波所以可以干涉加強.只有相干散射才能產(chǎn)生衍射,所以相干散射是X射線衍射基礎(chǔ)不相干散射因為不相干散射不能干涉加強產(chǎn)生衍射,所以不相干散射只是衍射的背底X射線的吸收

物質(zhì)對X射線的吸收，是指X射線通過物質(zhì)時光子的能量變成了其他形式時能量。有時將X射線通過物質(zhì)時造成的能量損失稱為真吸收。X射線通過物質(zhì)時產(chǎn)生的光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng)，使入射X射線的能量變成光電子、俄歇電子和熒光X射線的能量，使X射線強度被衰減，是物質(zhì)對X射線的真吸收過程。光電效應(yīng)

---光電子和熒光X射線

光電效應(yīng)1激發(fā)K系光電效應(yīng)時，入射光子的能量必須等于或大于將K電子從K層移至無窮遠(yuǎn)時所作的功WK，即將激發(fā)限波長λK和激發(fā)電壓VK聯(lián)系起，即式中VK以V為單位。（1－4）式和（1－11）式形式上非常相似，但物理意義完全不同。前者說明連續(xù)譜的短波限λ0隨管電壓的增高而減小，而后者說明每種物質(zhì)的K激發(fā)限波長都有它自己特定的值。從X射線激發(fā)光電效應(yīng)的角度，稱λK為激發(fā)限；然而，從X射線被物質(zhì)吸收的角度，則稱λK為吸收限。

光電效應(yīng)2-----俄歇效應(yīng)

俄歇（Auger，M.P.）在1925年發(fā)現(xiàn)，原子中K層的一個電子被打出后，它就處于K激發(fā)狀態(tài)，其能量為EK。如果一個L層電子來填充這個空位，K電離就變成L電離，其能量由EK變成EL，此時將釋放EK-EL的能量。釋放出的能量，可能產(chǎn)生熒光X射線，也可能給予L層的電子，使其脫離原子產(chǎn)生二次電離。即K層的一個空位被L層的兩個空位所代替，這種現(xiàn)象稱俄歇效應(yīng).從L層跳出原子的電子稱KLL俄歇電子。每種原子的俄歇電子均具有一定的能量，測定俄歇電子的能量，即可確定該種原子的種類，所以，可以利用俄歇電子能譜作元素的成分分析。不過，俄歇電子的能量很低，一般為幾百eV，其平均自由程非常短，人們能夠檢測到的只是表面兩三個原子層發(fā)出的俄歇電子，因此，俄歇譜儀是研究物質(zhì)表面微區(qū)成分的有力工具。

光電效應(yīng)2-----俄歇效應(yīng)

光電效應(yīng)小結(jié)光電子被X射線擊出殼層的電子即光電子,它帶有殼層的特征能量,所以可用來進行成分分析(XPS)俄歇電子高能級的電子回跳,多余能量將同能級的另一個電子送出去,這個被送出去的電子就是俄歇電子帶有殼層的特征能量(AES)二次熒光高能級的電子回跳,多余能量以X射線形式發(fā)出.這個二次X射線就是二次熒光也稱熒光輻射同樣帶有殼層的特征能量小結(jié)散射散射無能力損失或損失相對較小相干散射是X射線衍射基礎(chǔ),只有相干散射才能產(chǎn)生衍射.散射是進行材料晶體結(jié)構(gòu)分析的工具吸收吸收是能量的大幅度轉(zhuǎn)換,多數(shù)在原子殼層上進行,從而帶有殼層的特征能量,因此是揭示材料成分的因素吸收是進行材料成分分析的工具可以在分析成分的同時告訴你元素價態(tài)一束強度為I0的X射線束，通過厚度為H的物體后，強度被衰減為IH。為了得到強度的衰減規(guī)律，現(xiàn)取離表面為x的一薄層dx進行分析。設(shè)X射線束穿過厚度為X的物體后，強度波衷減為，而穿過厚度為x＋dx的物質(zhì)后的強度為I-dI，則通過dx厚的一層引起的強度衰減為dI。實驗證明，X射線透過物質(zhì)時引起的強度衰減與所通過的距離成正比

X射線的衰減規(guī)律

X射線的衰減規(guī)律對（1-12）式積分求出強度為I0的X射線從物體表面（即x＝0）穿透厚度H后的強度IH:

IH＝I0exp(-μH)

式中IH/I0稱穿透系數(shù)，而μ為線衰減系數(shù)。（1-13）式是X射線透視學(xué)的基本公式。線衰減系數(shù)μ＝－1n（IH/I0）/H表示單位體積物質(zhì)對X射線的衰減程度，它與物質(zhì)的密度ρ成正比，即與物質(zhì)的存在狀態(tài)有關(guān)?，F(xiàn)將（1-13）式改寫成：IH＝I0e-(μ/ρ)ρH＝I0e-μmρH

式中μm＝μ/ρ稱質(zhì)量衷減系數(shù)，其單位為cm2

／g。工作中有時需要計算i個元素組成的化合物、混合物、合金和溶液等的質(zhì)量衰減系數(shù)μm。由于μm與物質(zhì)的存在狀態(tài)無關(guān)，因此衰減系數(shù)可按下式求得：μm=ω1μm1+ω2μm2+…ωiμmi

X射線的吸收曲線X射線通過物質(zhì)時的衰減，是吸收和散射造成的。如果用σm仍表示散射系數(shù)，τm表示吸收系數(shù)。在大多數(shù)情況下吸收系數(shù)比散射系數(shù)大得多，故μm≈τm。質(zhì)量吸收系數(shù)與波長的三次方和元素的原子序數(shù)的三次方近似地成比例，因此X射線的衰減從熒光X射線的產(chǎn)生機理，可以解釋圖1－11中的吸收突變。當(dāng)入射波長非常短時，它能夠打出K電子，形成K吸收。但因其波長太短，K電子不易吸收這樣的光子能量，因此衰減系數(shù)小。隨著波長的逐漸增加，K電子也越來越容易吸收這樣的光子能量，因此衰減系數(shù)也逐漸增大，直到K吸收限波長為止。如果入射X射線的波長比λK稍大一點，此時入射光子的能量已無法打出K電子，不產(chǎn)生K吸收。而對L層電子來說，入射光子的能量又過大，也不易被吸收，因此，入射X射線的波長比λK稍大一點時，衰減系數(shù)有最小值。同理，可以解釋K吸收限至L吸收限之間曲線的變化規(guī)律。X射線的衰減小結(jié)宏觀表現(xiàn)強度衰減與穿過物質(zhì)的質(zhì)量和厚度有關(guān)是X射線透射學(xué)的基礎(chǔ)這就是質(zhì)厚襯度微觀機制散射和吸收消耗了入射線的能量這與吸波原理是一樣的吸收限的應(yīng)用

---X射線濾波片的選擇

在一些衍射分析工作中，我們只希望是kα輻射的衍射線條，但X射線管中發(fā)出的X射線，除kα輻射外，還含有Kβ輻射和連續(xù)譜，它們會使衍射花樣復(fù)雜化。獲得單色光的方法之一是在X射線出射的路徑上放置一定厚度的濾波片，可以簡便地將Kβ和連續(xù)譜衰減到可以忽略的程度。

濾波片的選擇規(guī)則

1：Z靶＜40時，Z濾＝Z靶-1；2：Z靶＞40時，Z濾＝Z靶-2濾波片

常用靶材及其匹配的濾波片的數(shù)據(jù)列入表1-1。按表中厚度制作的波濾片，濾波后Kβ/Kα的強度比為1/600。如果濾波片太厚，雖然Kβ可以進一步衰減，但kα也相應(yīng)衰減。實踐表明，當(dāng)Kα強度被衰減到原來的一半時，Kβ/Kα的強度比將由原來的1/5降為濾波后的1/500左右，這對大多數(shù)衍射分析工作已經(jīng)滿意。在濾波片材料選定之后，可按需要的衰減比用公式（1-14）計算濾波片的厚度。

吸收限的應(yīng)用

---陽極靶材料的選擇

在X射線衍射晶體結(jié)構(gòu)分析工作中，我們不希望入射的X射線激發(fā)出樣品的大量熒光輻射。大量的熒光輻射會增加衍射花樣的背底，使圖象不清晰。避免出現(xiàn)大量熒光輻射的原則就是選擇入射X射線的波長，使其不被樣品強烈吸收，也就是選擇陽極靶材料，讓靶材產(chǎn)生的特征X射線波長偏離樣品的吸收限。根據(jù)樣品成分選擇靶材的原則是：

Z靶≤Z樣-1；或Z靶>>Z樣。對于多元素的樣品，原則上是以含量較多的幾種元素中最輕的元素為基準(zhǔn)來選擇靶材?？偨Y(jié)本章主要講述三個問題:1.X射線的性質(zhì),本質(zhì)和X射線的產(chǎn)生2.X射線譜---連續(xù)譜,特征譜3.X射線與物質(zhì)的相互作用總結(jié)關(guān)于X射線的性質(zhì),本質(zhì)和X射線的產(chǎn)生1.了解X射線有哪些性質(zhì)!2.X射線的本質(zhì)是電磁波,具有波粒二相性.3.X射線的產(chǎn)生定義:高速運動的粒子遇阻嘎然停止,其能量可以X射線形式釋放.4.X射線管結(jié)構(gòu)與工作原理總結(jié)關(guān)于X射線譜---連續(xù)譜,特征譜1.連續(xù)譜產(chǎn)生機理的二種解釋(經(jīng)典,量子),什么是短波限?2.特征譜產(chǎn)生機制?特征譜的命名方法,什么是臨界電壓?什么是激發(fā)電壓?什么是激發(fā)限?總結(jié)關(guān)于X射線與物質(zhì)的相互作用1.宏觀效應(yīng)----X射線強度衰減2.微觀機制----X射線被散射,吸收

(1)散射---相干散射,康譜頓散射

(2)吸收---產(chǎn)生光電子,二次熒光,俄歇電子

(3)什么是吸收限?如何選擇濾波片,靶?第三章

X射線衍射分析第二章

X射線衍射分析主要內(nèi)容X射線的物理基礎(chǔ)X射線衍射原理（布拉格方程）樣品制備及實驗方法X射線衍射方法在材料研究中的應(yīng)用3.1X射線的物理基礎(chǔ)一、X射線的歷史1895年，著名的德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線；M.K.R?ntgen(1845-1923)

倫琴是德國維爾茨堡大學(xué)校長，第一屆諾貝爾獎獲得者。1895年他發(fā)現(xiàn)一種穿透力很強的一種射線。后來很快在醫(yī)學(xué)上得到應(yīng)用，也引起各方面重視。倫琴夫人的手X照片戒指3.1X射線的物理基礎(chǔ)1912年，德國物理學(xué)家勞厄等人發(fā)現(xiàn)了X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象，確證了X射線是一種電磁波。勞厄M.von.Laue德國物理學(xué)家(1879-1960)

X射線的衍射

3.1X射線的物理基礎(chǔ)1912年，英國物理學(xué)家Bragg父子利用X射線衍射測定了NaCI晶體的結(jié)構(gòu)，從此開創(chuàng)了X射線晶體結(jié)構(gòu)分析的歷史。布拉格父子：因他們用X射線對晶體結(jié)構(gòu)的分析所作的貢獻，共同榮獲1915年諾貝爾物理學(xué)獎。W(H(布拉格（WilliamHenryBragg1862～1942）W(L(布拉格（WilliamLawrenceBragg1890～1971）1.X射線是一種電磁波，具有波粒二象性；2.X射線的波長：

10－2~103?

3.X射線的

（

?）、振動頻峰

和傳播速度C（m·s-1）符合

=c/二、X射線的本質(zhì)X射線的物理基礎(chǔ)X射線的物理基礎(chǔ)4.X射線可看成具有一定能量E、動量P、質(zhì)量m的X光流子

E=hv（3-2）

P=h/

（3-3）

h為普朗克常數(shù)，h=6.62617610-27爾格，是1900年普朗克在研究黑體輻射時首次引進，它是微觀現(xiàn)象量子特性的表征。X射線的物理基礎(chǔ)X射線的物理基礎(chǔ)1）X射線具有很高的穿透能力，可以穿過黑紙

及許多對于可見光不透明的物質(zhì)；2）X射線肉眼不能觀察到，但可以使照相底片

感光。在通過一些物質(zhì)時，使物質(zhì)原子中的

外層電子發(fā)生躍遷發(fā)出可見光；3）X射線能夠殺死生物細(xì)胞和組織，人體組織

在受到X射線的輻射時，生理上會產(chǎn)生一定

的反應(yīng)。4）X射線可被鉛吸收。特點：X射線的物理基礎(chǔ)三、X射線的產(chǎn)生

高速運動的電子流

射線X射線中子流高能輻射流在突然被減速時均能產(chǎn)生X射線X射線的物理基礎(chǔ)

X射線管X射線的物理基礎(chǔ)

X射線管圖3-3X射線管示意圖X射線的物理基礎(chǔ)

X射線機圖3-2X射線機的主要線路圖X射線的物理基礎(chǔ)X射線管電子槍：產(chǎn)生電子并將電子束聚焦，鎢絲燒成螺旋式，通以電流鎢絲燒熱放出自由電子。金屬靶：發(fā)射x射線，陽極靶通常由傳熱性好熔點較高的金屬材料制成，如銅、鉆、鎳、鐵、鋁等。X射線的物理基礎(chǔ)

整個X射線光管處于真空狀態(tài)。當(dāng)陰極和陽極之間加以數(shù)十千伏的高電壓時，陰極燈絲產(chǎn)生的電子在電場的作用下被加速并以高速射向陽極靶，經(jīng)高速電子與陽極靶的碰撞，從陽極靶產(chǎn)生X射線，這些X射線通過用金屬鈹（厚度約為0.2mm）做成的x射線管窗口射出，即可提供給實驗所用。

X射線管的工作原理：X射線的物理基礎(chǔ)

X射線管X射線的物理基礎(chǔ)四、X射線譜特征X射線譜：特定波長的X射線。產(chǎn)生：電子進入到陽極內(nèi)部，將內(nèi)部電子激發(fā)到高能態(tài)上，高能電子回落到低能位時放出的X

射線。X射線譜連續(xù)X射線譜：連續(xù)的各種波長的X射線。產(chǎn)生：電子在陽極表面受阻而產(chǎn)生。X射線的物理基礎(chǔ)1、連續(xù)X射線譜圖各管電壓下W的連續(xù)譜

右圖為不同管電壓下W的連續(xù)X射線譜，其總強度等于曲線下面的積分面積。實驗表明：I連續(xù)＝

KiZVmk＝1.1～１.４x10－9m

＝2i－管電流，V－管電壓，

Z－原子序數(shù)

連續(xù)X射線的總強度正比于管電流、管電壓及陽極材料原子序數(shù)。X射線的物理基礎(chǔ)圖

Mo靶的X光譜（35kV時）2、特征X射線譜（標(biāo)識X射線）

右圖為管電壓35kV時Mo的特征X射線譜，其波長不連續(xù)，為特定波長。X射線的物理基礎(chǔ)原子結(jié)構(gòu)殼層理論

高能電子撞擊陽極靶時，會將陽極物質(zhì)原子中K層電子撞出電子殼層，在K殼層中形成空位，